JP3096821B2

JP3096821B2 - 制御型磁気軸受スピンドル

Info

Publication number: JP3096821B2
Application number: JP03109438A
Authority: JP
Inventors: 良弘榎本
Original assignee: セイコー精機株式会社
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 2000-10-10
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: JPH04337111A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は砥石台等に利用する制御
型磁気軸受スピンドルに関し、特に、ロータ軸が幾何学
中心座標で回転する低速時にも、学習、記憶した高速回
転時の慣性中心座標で回転するように制御を行う制御型
磁気軸受スピンドルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロータ軸の円周振れ公差（以下、
必要に応じてロータ軸の回転座標と記載する）を制御で
きる制御型磁気軸受スピンドルが多用されている。この
種の制御型磁気軸受スピンドルとして、特開昭６２−１
２４３１９号公報に記載された磁気懸垂方式ローターに
於ける同期妨害補償装置を挙げることができる。

【０００３】この磁気懸垂方式ローターに於ける同期妨
害補償装置はロータ軸の回転軸を制御するとともに、回
転軸を制御する際に各種の不平衡に起因して発生する周
期的な振動の影響を低減するように構成されている。こ
のように従来の制御型磁気軸受スピンドルでもロータ軸
の回転座標を制御することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例のような制御型磁気軸受スピンドルは高速回転時の
慣性中心座標のみを制御できるものであり、低速回転時
の回転座標は、その制御を行うように考慮されていな
い。したがって、例えば、砥石台で大直径の砥石を回転
させる場合、低速回転では幾何学中心座標で回転するた
め砥石周囲の回転変位が大きくなり、加工部材の精密研
削作業に困難を伴う欠点がある。

【０００５】本発明は上記課題に鑑みてなされ、低速回
転時にも高速回転時と同様に慣性中心座標でロータ軸が
回転できる優れた制御型磁気軸受スピンドルを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の制御型磁気軸受スピンドルは、磁性を有す
るロータ軸と、ロータ軸を磁気浮上させるための複数の
磁気浮上用電磁石と、ロータ軸の回転座標を示す検出信
号を出力する複数の位置検出手段と、検出信号にもとづ
いて、ロータ軸を所定位置に磁気浮上させ、且つ保持す
るように複数の磁気浮上用電磁石に供給する電流を制御
する第１の制御手段と、ロータ軸の高速回転時における
慣性中心座標を記憶し、この記憶した慣性中心座標で低
速回転時のロータ軸が回転するように第１の制御手段の
動作指示を行う第２の制御手段とを備えるものである。

【０００７】

【作用】上記のように構成される本発明の制御型磁気軸
受スピンドルでは、ロータ軸が幾何学中心座標で回転す
る低速時にも、学習、記憶した高速回転時の慣性中心座
標で回転するように制御されるため、低速回転時にも高
速回転時と同様に慣性中心座標でロータ軸が回転できる
ことになる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例の構成を図面をもと
に詳細に説明する。図１は実施例の全体構成を示してい
る。この例は、ハウジング１０内に磁性を有するロータ
軸１２が挿入されている。ロータ軸１２の中央部分のハ
ウジング１０の内側に、ロータ軸１２を回転させるため
の高周波モータコイル１３が配置されている。

【０００９】さらに、ロータ軸１２には磁性を有しＺ軸
線上の変位制御に利用する金属ディスク１４が固定され
ている。ハウジング１０の内側には金属ディスク１４を
挟み、かつ対向してＺ軸線上に対する磁気駆動を行う一
対の電磁石３０が設けられている。さらに、ロータ軸１
２の円周上には、ロータ軸１２を挟み、Ｘ軸線上に配置
された一対の電磁石（磁気浮上用電磁石に対応）３２
と、Ｙ軸線上に配置された一対の電磁石３４（磁気浮上
用電磁石に対応）が設けられている。

【００１０】また、電磁石３２と、電磁石３４に離間し
て、Ｘ軸線上に配置された一対の電磁石（磁気浮上用電
磁石に対応）３６と、Ｙ軸線上に配置された一対の電磁
石（磁気浮上用電磁石に対応）３８が設けられている。
すなわち、電磁石３２、３４および電磁石３６、３８は
９０°間隔でロータ軸１２を中心とした円周上に４個が
配置されていることになる。

【００１１】各々の電磁石３２、３４、３６、３８には
近接して誘導型の位置センサー（位置検出手段に対応）
４２、４４、４６、４８が設けられている。これら電磁
石３２、３４、３６、３８は位置センサー４２、４４、
４６、４８とともにロータ軸１２を磁力の吸引力でハウ
ジング１０内に磁気浮上させて保持する、所謂、４軸の
磁気軸受けを構成している。

【００１２】また、ロータ軸１２の回転数を計測するた
めのパルスゼネレータ（ＰＧ）が設けられている。この
ＰＧはハウジング１０の内側に設けられた磁気検知型の
回転センサー５０と、この回転センサー５０に対向した
ロータ軸１２にマグネット５１とからなる。ロータ軸１
２が回転する際にマグネット５１と回転センサー５０と
が対向した位置で磁気を検知して回転センサー５０から
パルス信号を出力する。さらに、ハウジング１０の内側
にはモータ５４が配置されている。

【００１３】また、電磁石３０、３２、３４、３６、３
８、位置センサー４２、４４、４６、４８および回転セ
ンサー５０は、以降に詳細に説明する磁気浮上用コント
ローラ、システムコントローラ等からなる信号処理系に
接続されている。ここで、図２に電磁石３０、３２、３
４、３６、３８、位置センサー４２、４４、４６、４８
および回転センサー５０の配置状態を詳細に示す。

【００１４】なお、この図では理解を容易にするため電
磁石３２、３４、３６、３８と位置センサー４２、４
４、４６、４８とは離間して図示した。次に、電気的構
成を説明する。図３は上記における電気的構成を示して
いる。この例はマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）等を用い
たシステムコントローラ７０（第２の制御手段に対応）
と、磁気浮上用コントローラ８０（第１の用制御手段に
対応）とで概略構成されている。

【００１５】このシステムコントローラ７０は、ＣＰＵ
７０ａ、プログラムを格納したＲＯＭ７０ｂ、ワーキン
グ用ＲＡＭ７０ｃ、キーボードインタフェ−ス（Ｉ／
Ｆ）７０ｄ、表示器Ｉ／Ｆ７０ｅ、Ｉ／Ｏ７０ｆ、７０
ｇ、７０ｈを備えており、これらは内部バスライン７０
ｊに接続されている。キーボ−ドＩ／Ｆ７０ｄには、高
速回転時の慣性中心座標を記憶させる際の操作等を行う
キーボード７４が接続されている。

【００１６】また表示器Ｉ／Ｆ７０ｅには、キーボード
７４からの操作状態や浮上状態さらに動作状態を表示す
るためのＬＣＤ等の表示器７６が接続されている。Ｉ／
Ｏ７０ｆは磁気浮上用コントローラ８０と接続され、こ
の磁気浮上用コントローラ８０は、一対の位置センサー
４０、４２、４４、４６、４８からの検出信号が各々入
力されるＰＩＤ８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ、８２
ｅが設けられている。

【００１７】さらにＰＩＤ８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８
２ｄ、８２ｅのそれぞれの出力端に増幅器８４ａ、８４
ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８４ｅが接続されている。この増
幅器８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８４ｅの出力部
には、それぞれ一対の電磁石３０、３２、３４、３６、
３８、すなわち、２組のコイルが接続されている。この
磁気浮上用コントローラ８０は磁気浮上した際のロータ
軸１２の金属ディスク１４のＺ軸を位置センサー４０か
らの検知信号にもとづいて一定に保つように増幅器８２
ａ増幅率を変化させて電磁石３０に供給する電流を変化
させる制御を行う。また、ロータ軸１２が磁気浮上する
際に、位置センサー４２、４４、４６、４８からの検知
信号にもとづいて、磁気浮上したロータ軸１２の座標を
垂直（Ｖ）方向、水平（Ｗ）方向で一定に保つように、
増幅器８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ、８４ｅの増幅率を変化
させて電磁石３２、３４、３６、３８に供給する電流を
変化させる制御を行う。

【００１８】Ｉ／Ｏ７０ｇには、回転センサー５０が接
続されており、この回転センサー５０からのパルス信号
がＣＰＵ７０ａで読み取られて、ロータ軸１２の回転数
を検知する。また、Ｉ／Ｏ７０ｈはモータドライバー７
６に接続されている。次に、上記構成の動作について説
明する。先ず、学習、記憶した慣性中心座標で低速回転
させる制御動作を説明する。

【００１９】図４は、学習、記憶した慣性中心座標で低
速回転させる際の制御動作に対応したフローチャートを
示している。全体動作の後、磁気浮上用コントローラ８
０からの電流で電磁石３０、３２、３４、３６、３８が
動作して、ロータ軸１２がハウジング１０内で浮上し、
所定の座標位置で一定に保たれる（ステップ（Ｓ）１０
１）。この動作に異常が無いか、すなわち、所定動作状
態か否かをＣＰＵ７０ａで判断する（Ｓ１０２）。

【００２０】異常動作であるとするＹｅｓの場合は、Ｓ
１２２に進んで異常の内容により、異常表示を行った
後、Ｓ１０２以降の処理を繰り返したり、、電源断によ
り、動作を停止させる処理を行う。この電源断の場合
は、図示しない電源スイッチをオフにした後、オンにす
ることによって、再動作する。Ｎｏの場合は、キーボー
ド７４から人手により回転スタートが指示（ＯＮ）され
る（Ｓ１０３）。

【００２１】この回転スタートＯＮをＣＰＵ７０ａが判
断する（Ｓ１０４）。回転スタート指示のＹｅｓの場合
はＣＰＵ７０ａの制御によりＩ／Ｏ７０ｈを通じてモー
タードライバー７６が駆動され、このモータードライバ
ー７６から高周波モータコイル１３に通電されてロータ
軸１２が回転する（Ｓ１０５）。同時に、回転センサー
５０からパルス信号をＩ／Ｏ７０ｇを通じてＣＰＵ７０
ａがポーリング、割り込み処理等で取り込む。Ｎｏの場
合は、回転スタートＯＮが行われていないとしてＳ１０
２に戻り、以降の処理手順を繰り返す。

【００２２】次に、この動作に異常が無いか否かを判断
する（Ｓ１０６）。異常があるＹｅｓの場合はＳ１２２
に進んで所定の、例えば、、異常表示や電源断の処理を
行う。。異常が無いＮｏの場合は所定の高速回転がスタ
ートしたか否かを判断する（Ｓ１０７）。ここで、所定
の高速回転に達していないＮｏの場合は異常の発生か否
かを判断するためＳ１０６に戻る。所定の高速回転に達
したとするＹｅｓの場合は、以降に説明するように、Ｒ
ＡＭ７０ｃに記憶しておいた前回の慣性中心座標情報を
消去する（Ｓ１０８）。

【００２３】さらに、異常がないか否かを判断する（Ｓ
１０９）。異常があるＹｅｓの場合はＳ１２２に進んで
異常の内容により、異常表示を行った後、Ｓ１０２以降
を繰り返したり、電源断により、動作を停止させる処理
を行う。この電源断の場合は、図示しない電源スイッチ
をオフにした後、オンにすることによって、再動作する
異常がないＮｏの場合は回転ストップがキーボード７４
から人手により指示（ＯＮ）される（Ｓ１１０）。

【００２４】続いて、キーボード７４から回転ストップ
が指示されたか否かを判断する（Ｓ１１１）。所定時間
内に回転ストップが指示されないＮｏの場合は、Ｓ１０
９に戻り、ここからの処理を繰り返す。回転ストップが
指示されたＹｅｓの場合はキーボード７４で指示された
回転ストップ信号をキーボードＩ／Ｆ７０ｄを通じてＣ
ＰＵ７０ａが取り込む（Ｓ１１２）。

【００２５】ここで、ＣＰＵ７０ａは、位置センサー４
２の検知信号が供給される磁気浮上用コントローラ８０
から図２に示すようにロータ軸１２の垂直（Ｖ）方向に
おける座標情報Ｖａ₁、Ｖａ₂を取り込んでＲＡＭ７０
ｃに記憶する（Ｓ１１３）。さらに、ＣＰＵ７０ａの制
御により、位置センサー４４の検知信号が供給される磁
気浮上用コントローラ８０から図２に示すようにロータ
軸１２の水平（Ｗ）方向における座標情報Ｗａ₁、Ｗａ
₂を取り込んでＲＡＭ７０ｃに記憶する（Ｓ１１４）。
同様にして、ＣＰＵ７０ａの制御により、位置センサ
ー４６の検知信号が供給される磁気浮上用コントローラ
８０から座標情報Ｖｂ₁、Ｖｂ₂を取り込んでＲＡＭ７
０ｃに記憶する（Ｓ１１５）。

【００２６】さらに、同様にして、ＣＰＵ７０ａの制御
により、位置センサー４８の検知信号が供給される磁気
浮上用コントローラ８０から座標情報Ｗｂ₁、Ｗｂ₂を
取り込んでＲＡＭ７０ｃに記憶する（Ｓ１１６）。さら
に、ＣＰＵ７０ａの制御により、位置センサー４０の検
知信号が供給される磁気浮上用コントローラ８０から図
２に示すようにロータ軸１２のＺ軸の座標情報Ｚａを取
り込んでＲＡＭ７０ｃに記憶する（Ｓ１１７）。

【００２７】このＳ１１３乃至Ｓ１１７の処理でロータ
軸１２の高速回転時における慣性中心の５軸座標情報が
得られたことになる。なお、このＳ１１３乃至Ｓ１１７
はどのような順序で処理しても良い。Ｓ１１２における
回転ストップ信号を取り込んだ後、ＣＰＵ７０ａの制御
によりＩ／Ｏ７０ｈを通じてモータードライバー７６の
動作中止が指示されるが、ここで所定数の高速回転が終
了したか否かを判断する。Ｎｏの場合は、まだ高速回転
中であるとしてＳ１１３に戻りＳ１１３乃至Ｓ１１７ま
での処理を再実行する。所定数の高速回転が終了して低
速回転となったＹｅｓの場合は、Ｓ１１３乃至Ｓ１１７
でＲＡＭ７０ｃに記憶した慣性中心の５軸座標情報、す
なわち、座標情報Ｖａ₁、Ｖａ₂、Ｖｂ₁、Ｖｂ₂、Ｗ
ａ₁、Ｗａ₂、Ｗｂ₁、Ｗｂ₂およびＺａをＲＡＭ７０
ｃから読み出して、この値を磁気浮上用コントローラ８
０に供給する。この値が供給される磁気浮上用コントロ
ーラ８０はロータ軸１２が前記の５軸座標情報で回転す
るように制御を行う。

【００２８】したがって、この低速回転時にも慣性中心
座標でロータ軸１２が回転することになる。次に、この
状態に異常がないか否かを判断する（Ｓ１２０）。異常
があるＹｅｓの場合Ｓ１２２に進んで異常の内容によ
り、異常表示を行った後、Ｓ１０２以降の処理手順を繰
り返したり、電源断により、動作を停止させる処理を行
う。この電源断の場合は、図示しない電源スイッチをオ
フにした後、オンにすることによって再動作する。異常
なく５軸座標情報でロータ軸１２が回転しているとす
るＮｏの場合は回転センサー５０からパルス信号をＩ／
Ｏ７０ｇを通じてポーリング処理、割り込み処理等でＣ
ＰＵ７０ａが取り込み、ここでロータ軸１２の回転停止
を判断する。停止していない場合はＳ１２０に戻り、Ｓ
１２０，Ｓ１２１の処理を回転が停止するまで繰り返
す。回転が停止したのを確認したらＳ１０２に戻り再実
行可能状態となる。

【００２９】次に、ロータ軸１２の回転開始時の低速回
転をＲＡＭ７０ｃに記憶した慣性中心座標軸にもとづい
て制御する場合を説明する。図５は、この制御動作に対
応したフローチャートを示している。全体動作の指示の
後、磁気浮上用コントローラ８０からの電流が供給され
て電磁石３０、３２、３４、３６、３８が動作し、ロー
タ軸１２がハウジング１０内で浮上して所定の座標位置
で一定に保たれる（Ｓ２０１）。

【００３０】この浮上動作に異常が無いか、すなわち、
磁気浮上用コントローラ８０からＩ／つ７０ｆを通じて
取り込んだ信号で所定動作状態か否かをＣＰＵ７０ａで
判断する（Ｓ２０２）。異常動作であるとするＹｅｓの
場合はＳ２２２に進む。このＳ２２２では、異常の内容
により、異常表示を行った後、２０２以降の処理を繰り
返したり、電源断により、動作を停止させる処理を行
う。この電源断の場合は、図示しない電源スイッチをオ
フにした後、オンにすることによって、再動作する。Ｎ
ｏの場合は、キーボード７４から人手により回転スター
トが指示（ＯＮ）される（Ｓ２０３）。

【００３１】この回転スタートＯＮをＣＰＵ７０ａが取
り込んで判断する（Ｓ２０４）。回転スタート指示のＹ
ｅｓの場合はＣＰＵ７０ａの制御によりＩ／Ｏ７０ｈを
通じてモータードライバー７６が動作してロータ軸１２
が回転する（Ｓ２０５）。同時に、回転センサー５０か
らパルス信号をＩ／Ｏ７０ｇを通じてＣＰＵ７０ａがポ
ーリング、割り込み処理等で取り込む。回転スタートＯ
Ｎが行われていないＮｏの場合はＳ２０２に戻り、以降
の処理手順を繰り返す。

【００３２】続いて、この動作に異常が無いか否かを判
断する（Ｓ２０６）。異常があるＹｅｓの場合はＳ２２
２に進んで所定の、例えば、異常表示や電源断の処理を
行う。異常が無いＮｏの場合は、前回ＲＡＭ７０ｃに記
憶した慣性中心座標軸情報をＣＰＵ７０ａの制御により
ＲＡＭ７０ｃから読み出す（Ｓ２０７）。読み出した慣
性中心の５軸座標情報、すなわち、座標情報Ｖａ₁、Ｖ
ａ₂、Ｖｂ₁、Ｖｂ₂、Ｗａ₁、Ｗａ₂、Ｗｂ₁、Ｗｂ
₂およびＺａを磁気浮上用コントローラ８０に供給す
る。この値でロータ軸１２が回転するように磁気浮上用
コントローラ８０では増幅部８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、
８４ｄ、８４ｅの増幅率を変化させて電磁石３０、３
２、３４、３６、３８への通電電流の制御を行う（Ｓ２
０８）。

【００３３】したがって、回転開始時の低速回転時にも
慣性中心座標でロータ軸１２が回転することになる。こ
こで、回転センサー５０からの回転数信号（パルス信
号）をＩ／Ｏ７０ｇを通じてＣＰＵ７０ａがポーリング
処理、割り込み処理等で取り込む（Ｓ２０９）。この状
態で、異常が無いか否かを判断する（Ｓ２１０）。

【００３４】異常があるＹｅｓの場合はＳ２２２に進ん
で所定の処理を行う。異常がないＮｏの場合は、予め設
定した慣性中心の高速回転の値に達したときに、磁気浮
上用コントローラ８０では読み出した慣性中心の５軸座
標情報の制御を中止する。ここで、慣性中心となる高速
回転までの一連の処理手順が終了する。このようにし
て、低速回転時にも高速回転時と同様に慣性中心座標で
ロータ軸１２が回転できるようになり、例えば、本実施
例を適用する砥石台等で大直径の砥石を回転させる場
合、低速回転でも砥石端部の回転変位がなくなり、加工
部材の精密研削作業が容易になる。

【００３５】なお、上記実施例では５軸の座標情報で制
御したが、これに限定されない。例えば、磁気軸受け以
外のスラスト軸受を用いても良い。

【００３６】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明の
制御型磁気軸受スピンドルは、ロータ軸が幾何学中心座
標で回転する低速時にも、学習、記憶した高速回転時の
慣性中心座標で回転するように制御が行われるため、以
降の低速回転時にも高速回転時と同様に慣性中心座標で
ロータ軸が回転できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御型磁気軸受スピンドルの一実施例
を示す構成図である。

【図２】図１に示す電磁石および位置センサー等の配置
を示す斜視図である。

【図３】実施例の電気的構成を示すブロック線図であ
る。

【図４】学習、記憶した慣性中心座標で低速回転させる
際の制御動作に対応したフローチャートである。

【図５】回転開始時に記憶した慣性中心座標で低速回転
させる際の制御動作に対応したフローチャートである。

【符号の説明】

１２ロータ軸１４金属ディスク３０、３２、３４、３６、３８電磁石４０、４２、４４、４６、４８位置センサー５０回転センサー７０システムコントローラ８０磁気浮上用コントローラ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性を有するロータ軸と、前記ロータ軸
を磁気浮上させるための複数の磁気浮上用電磁石と、前
記ロータ軸の回転座標を示す検出信号を出力する複数の
位置検出手段と、上記検出信号にもとづいて、ロータ軸
を所定位置に磁気浮上させ、且つ保持するように上記複
数の磁気浮上用電磁石に供給する電流を制御する第１の
制御手段と、前記ロータ軸の高速回転時における慣性中
心座標を記憶し、この記憶した慣性中心座標で低速回転
時のロータ軸が回転するように上記第１の制御手段の動
作指示を行う第２の制御手段と、を備えることを特徴と
する制御型磁気軸受スピンドル。